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La fuente de alimentación y sus características.
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FUENTES DE ALIMENTACIÓN
Fuentes de alimentación para equipos de imagen
La fuente de alimentación es, como sabemos, el circuito encargado
de proporcionar la energía a los diferentes procesos de un equipo. Su
misión es fundamental, puesto que debe dotar de las tensiones de
polarización adecuadas a cada etapa, y ser capaz de suministrar la
corriente suficiente para que los demás circuitos trabajen
adecuadamente.
Los equipos de imagen son una familia de aparatos bastante
heterogénea. Las necesidades de una cámara de vídeo no coinciden con
las de un magnetoscopio, y eso nos lleva a utilizar fuentes de
alimentación de diferentes tipos. En esta unidad estudiaremos tres
estructuras diferentes, cada una con sus propias aplicaciones:
Fuente de alimentación lineal. Es la de uso más generalizado en equipos
electrónicos. La encontraremos en los magnetoscopios, en las cabeceras
de amplificación de antena, etcétera.
Fuente de alimentación conmutada. Permite suministrar una gran
potencia con un tamaño reducido. La práctica totalidad de los receptores
de televisión utilizan este tipo de fuente.
Convertidores DC/DC. Si el suministro de energía procede de una batería,
utilizaremos un convertidor para conseguir las tensiones de polarización.
Las cámaras de vídeo incorporan este tipo de circuitos.
Fuentes de alimentación lineales
Principio de funcionamiento
Una fuente de alimentación lineal se encarga de proporcionar, a
partir de la tensión alterna de la red eléctrica, las tensiones y corrientes
necesarias en los diferentes circuitos que forman un equipo. Para ello
utiliza una estructura como la que aparece en la Figura 15.1, basada en
cuatro bloques básicos:
Fig. 15.1. Estructura básica de una fuente de alimentación lineal.
• Transformación. Adapta el nivel de la señal de red a la tensión
necesaria para alimentar el circuito. La entrada y la salida son
tensiones alternas.
• Rectificación. Transforma la señal alterna del transformador en otra,
cuya corriente no cambia de sentido. La tensión de salida será
continua, de tipo pulsatorio.
• Filtrado. Reduce las variaciones de la tensión de salida del
rectificador. Así, la señal va adoptando un nivel más o menos
estable, aunque existirá aún un cierto rizado en la tensión de salida
del filtro.
• Estabilización. También llamada regulación, se encarga de que la
tensión de salida mantenga en todo momento el valor exacto que
se necesita para polarizar el circuito. Para ello regula su resistencia
interna, de forma que neutralice las fluctuaciones de la tensión de
entrada. Su funcionamiento es lineal, lo que da nombre a toda la
estructura de la fuente de alimentación.
CIRCUITOS REALES
Utilizando este principio fundamental, podemos encontrar numerosas
fuentes de alimentación, si bien su estructura se adapta a las necesidades
del aparato al cual suministrarán energía. En la figura 15.2 aparece una
fuente de alimentación lineal completa. Aunque a primera vista puede
parecer muy compleja, si la analizamos con detenimiento veremos que su
funcionamiento es bastante sencillo.
Fig. 15.2. Esquema eléctrico de una fuente de alimentación lineal.
Sobre el esquema se han resaltado las diferentes áreas funcionales,
utilizando los mismos colores que en la estructura básica. Como podemos
observar, aparecen los bloques estudiados, formando varias
configuraciones diferentes. También tenemos bloques nuevos, que
complementan o mejoran el diseño básico.
El circuito toma la tensión de red, y tras pasar por un fusible de
protección, la lleva hasta un primer filtro, que no aparece en la estructura
básica. Se trata de un filtro de red, de tipo paso bajo, que bloqueará
cualquier señal transitoria de alta frecuencia que pudiera existir en la red
eléctrica, evitando así que entre en nuestro aparato. A continuación la
señal alterna de red se aplica al primario del transformador, situado entre
los contactos 1 y 2. Sabemos que un transformador sólo puede tener un
primario, por el cual se le aplica la energía desde la red. Sin embargo,
podremos encontrar que el circuito tiene varios secundarios, entre los que
se distribuirá la potencia del primario según la cantidad de espiras de hilo
que contengan.
El primero de los secundarios proporciona una tensión alterna de 4
V, que se extrae directamente de la fuente. Esta tensión alterna se
necesita para caldear los filamentos de las pantallas fluorescentes del
frontal del aparato. También hasta esta pequeña pantalla llegará la
tensión de - 25 V que se genera a partir del secundario inferior del
esquema, entre los puntos 8 y 9 del transformador. Desde estos
terminales se lleva la señal hasta el rectificador de media onda D6, en
cuyo ánodo tendremos ya una tensión negativa de carácter pulsante. Esta
tensión se filtrará a través de la red formada por C8, C9 y 13, obteniendo
así una tensión que, aun conteniendo un cierto rizado, se mantiene en
torno a los 25 V negativos.
Entre los terminales 7 y 8 del transformador obtenemos la señal
procedente de otro de los secundarios del transformador. Esto nos
permite establecer otra cadena de alimentación, que contará con el diodo
D5 como elemento rectificador, también en configuración de media onda.
Una vez rectificada, la señal pasa a la etapa de filtrado, formada en este
caso por C6, C7 y la bobina 1.2. La misión de esta etapa de alimentación
será polarizar los circuitos digitales, con una tensión continua de 5 V. Estos
circuitos integrados necesitan que la tensión de alimentación no tenga
fluctuaciones de voltaje, por lo que será necesario utilizar una etapa de
estabilización. De ello se encarga el popular circuito 7805, que fijará la
tensión de salida a 5 V de forma permanente.
Por último, el condensador C8 eliminará cualquier posible ruido
generado por el propio circuito estabilizador o por su carga. Como vemos,
esta red de alimentación cumple, con una disposición física muy sencilla,
con todos los preceptos de la estructura básica de la fuente de
alimentación.
La última de las líneas de alimentación toma la señal del secundario
situado entre los terminales 5 y 6 del transformador, que dará paso a un
rectificador en puente, que utiliza los diodos D1 a D4. Estamos ante la red
de alimentación principal del aparato, y nos interesa utilizar los dos
semiciclos de la señal alterna, para aprovechar mejor la energía del
transformador y tener un rizado menor en la salida. Los condensadores C2
y C3 se encargarán de filtrar la señal rectificada. Como es habitual, se
utilizan condensadores de gran capacidad (C2 = 2.200 p F) para filtrar los
semiciclos de la señal rectificada.
La capacidad de C3 es insignificante si la comparamos con la de C2,
por lo que no afectará al filtrado de la señal de 100 Hz de la salida del
rectificador. Este condensador se encargará de derivar a masa señales de
frecuencias más altas, quedando así limpia la señal de cualquier ruido
eléctrico. Aquí también se ha dispuesto un segundo fusible, que protegerá
la línea principal de alimentación de corrientes superiores a 1,5 A.
La señal filtrada se aplica ahora al estabilizador U1, cuya tensión de
salida, definida por las resistencias R2 y R3, será de 15 V de corriente
continua. Esta tensión servirá para alimentar motores, y dispositivos que
precisen de una cierta potencia dentro del aparato.
Pero la mayor parte de los circuitos integrados se alimentarán a 12
V, por lo que se monta un segundo circuito estabilizador que, a partir de
esta tensión de 15 voltios, obtiene los 12 V de alimentación general. En la
mayoría de los equipos electrónicos actuales encontraremos la posibilidad
de entrar en el modo de stand-by, en el que el aparato tiene inactivas la
mayoría de sus funciones, pero permite la reactivación a través del mando
a distancia.
Este modo de funcionamiento obliga a que la fuente de
alimentación permanezca siempre en funcionamiento, puesto que debe
suministrar energía al sistema de control de funciones para que detecte la
entrada de datos desde el receptor del mando a distancia. Paralelamente,
la fuente deberá ser capaz de desconectar aquellos circuitos no
imprescindibles, reduciendo así el consumo durante este estado de
reposo. Estas operaciones se consiguen a través del transistor Q1, que
polarizado a través de las resistencias R1 y R4 actuará como interruptor
electrónico, trabajando entre los estados de corte y saturación.
La pantalla en la que los equipos electrónicos muestran la información de
la hora, el canal que reciben, etc. suele ser de tipo fluorescente, y su
funcionamiento es similar al de una válvula de vacío múltiple. Como ocurre
en el cañón electrónico del T.R.C., estos visualizadores tienen un cátodo
que se calienta mediante un filamento, para el cual le aplicamos la tensión
alterna de 4 V. Para controlar qué segmentos se encienden, y con qué
intensidad, la pantalla utiliza un controlador específico. Será este circuito
integrado el destinatario de la tensión de - 25 V, que habitualmente se
denomina tensión de carga del visualizador.
Cuando se conecta el equipo a la red, el transformador recibe la
señal alterna y la transfiere a los secundarios. Según hemos estudiado, se
generará la tensión de + 5 voltios para alimentar al microprocesador de
control y al receptor de infrarrojos, por lo que este dispositivo entrará en
funcionamiento. También se generan las tensiones necesarias para que el
visualizador funcione, pudiendo mostrar en este estado, por ejemplo, un
reloj sobre la pantalla del equipo. Sin embargo, el sistema de control
mantendrá el equipo en standby, por lo que el transistor bloqueará el
funcionamiento del estabilizador U1, no existiendo entonces las tensiones
de + 15 y + 12 V.
Al pulsar la tecla de encendido, bien en el propio aparato o a través
del control remoto, el sistema de control activará la línea on/off, y con ella
al transistor Q1, que permitirá que el estabilizador U1, y por consiguiente
el U2, suministren las tensiones necesarias para iniciar el funcionamiento
de todo el aparato.
Aunque en este esquema se han utilizado estabilizadores
integrados, estos circuitos pueden adoptar estructuras muy dispares.
Podremos encontrar estabilizadores simples, formados por un diodo zéner
y una resistencia limitadora, y también circuitos reguladores a
transistores. Sin embargo, el nivel de integración va en aumento, y
también es posible encontrar circuitos integrados que contienen todos los
estabilizadores que el equipo necesita para funcionar, lo que si bien
simplifica notablemente el cableado, hace que el circuito no sea tan
intuitivo.
Fig. 15.3. Fuente de alimentación con estabilizador integrado.
En la figura 15.3 se puede observar una fuente de alimentación que
tiene centralizados los circuitos de estabilización en el regulador de
tensión múltiple STK 5446.
Las fuentes de alimentación lineales son, como ya hemos
comentado, los sistemas de alimentación de utilización más difundida. Su
estructura clásica, sencilla y con pocos componentes, hace que sean
fáciles de reparar, al diferenciarse fácilmente sus distintas áreas
funcionales. Sin embargo, la utilización de un transformador a frecuencia
de red hace que su rendimiento sea bajo, con excesivas pérdidas de
energía que obligan a aumentar su tamaño y peso. Por eso, cuando el
consumo empieza a elevarse se plantean otros tipos de fuente de
alimentación, que estudiaremos a continuación.
Fuentes de alimentación conmutadas.
Frente a las clásicas fuentes lineales, cada vez son más los
fabricantes que deciden montar sistemas de alimentación conmutados.
Sus ventajas son evidentes, ya que su mejor rendimiento energético hace
que se calienten menos, al tiempo que disminuyen su tamaño y peso.
Paralelamente, un consumo más bajo supone utilizar componentes de
menor potencia, reduciendo así los costes del circuito.
PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO
El diagrama básico de una fuente de alimentación conmutada
aparece representado en la Figura 15.4, y es sensiblemente distinto al de
las fuentes lineales.
En primer lugar, la tensión que llega de la red eléctrica se
rectifica directamente, sin utilizar transformador de entrada. Este
rectificador, generalmente de doble onda, entrega la señal pulsatoria de
su salida a un filtro, que obtendrá una onda de nivel más estable.
Mediante estos dos bloques se crea una fuente de alimentación primaria,
que proporciona una tensión continua de más de 300 V, que tendrá
fundamentalmente dos funciones:
Fig. 15.4. Principio de funcionamiento de una fuente conmutada.
• a) Será la base de la cual obtendremos los pulsos necesarios para el
funcionamiento del resto del circuito.
• b) Una vez reducido su valor mediante resistencias, servirá para
alimentar inicialmente el oscilador y el comparador que aparecen
en el diagrama.
Al, recibir alimentación, el oscilador empezará a generar una onda, de
varias decenas de kilohercios, que se aplicará al modulador PWM. En su
estado de inicio, este modulador sacará por su salida un pulso generado a
partir del oscilador, que se aplicará al conmutador. Este elemento,
formado casi siempre por un transistor, se polariza en estado de
saturación cuando recibe el pulso del modulador, y se sitúa en corte
cuando no recibe señal de excitación. Por lo tanto, los pulsos procedentes
del modulador servirán para trocear la tensión continua que tiene el
conmutador en su entrada, aplicándole al transformador unos impulsos de
alta frecuencia y elevada tensión. Esta operación hace que se conozca este
tipo de fuente como chopeada, por el término inglés chopper (troceador).
En este punto del circuito utilizaremos un transformador, como medio
para adaptar la tensión de entrada a las requeridas por los circuitos a
alimentar. Sin embargo, la frecuencia de a señal que se le aplica es mucho
mayor que en las fuentes lineales, lo que reduce sensiblemente las
pérdidas de este componente. De hecho, el tamaño de este
transformador es mucho menor que el utilizado para conseguir una
potencia de salida similar en las fuentes lineales. Al aplicarle los pulsos, en
el secundario del transformador tendremos una señal alterna, si bien no
es de tipo senoidal. Para obtener a partir de esta señal la tensión continua
de alimentación utilizaremos una segunda red de rectificación y filtrado.
A diferencia de la primera, ahora no será necesario utilizar
rectificadores de doble onda, puesto que la mayor frecuencia de la señal
hace más sencilla la obtención de una tensión constante. Esta razón hace
que también la capacidad necesaria en los condensadores de filtrado
disminuya, e incluso que en muchos casos no sea necesaria la utilización
de estabilizadores posteriores.
TECNICAS DE REGULACIÓN EN FUENTES CONMUTADAS
Para poder mantener la tensión de salida constante, las fuentes
conmutadas establecen un lazo de realimentación. Este bucle se forma a
partir de la tensión del secundario del transformador, del cual se obtendrá
una muestra para conocer los posibles cambios que se produzcan en la
tensión de salida. Estos cambios suelen suceder cuando se modifica el
consumo de potencia del circuito al que se alimenta, y debemos
establecer un sistema que los neutralice.
Fig., 15.5: Sistemas, de regulación en fuentes conmutadas.
El sistema empleado consiste en comparar la muestra de la tensión
del secundario con una tensión de referencia, y modificar la energía que el
conmutador aplica al primario del transformador para conseguir
compensar las variaciones de la tensión de salida de la fuente de
alimentación. Como vimos, el oscilador es el encargado de marcar el ritmo
de trabajo del interruptor. Para poder mantener la tensión de salida
estabilizada, debemos modificar el tiempo en el que el conmutador
permanece aplicando tensión sobre el primario del transformador,
denominado tiempo de activación (ton) Esto se puede lograr de dos modos
distintos:
• Variando la frecuencia de la señal. Si aplicamos una señal de
frecuencia variable al conmutador, estaremos modificando la
cantidad de energía que se inyecta al transformador. Una señal de
alta frecuencia tendrá durante poco tiempo el conmutador
activado, por lo que la cantidad de energía transferida al primario
será pequeña. Al disminuir la frecuencia de conmutación, se
aumenta paralelamente el tiempo de activación, y con él la cantidad
de energía que recibe el transformador.
• Variando la duración de los pulsos. Otra posibilidad de modificar la
cantidad de campo magnético que se induce en el transformador
consiste en variar el ciclo de trabajo de la señal de control del
conmutador. Aunque la frecuencia no varíe, si mantenemos más
tiempo el pulso a nivel alto, pasará más corriente a través del
primario. Por lo tanto, una señal de anchura de pulso variable
(PWM) podrá ser adecuada para regular la cantidad de energía que
se aplica sobre el transformador, de forma que se mantenga estable
la tensión de salida de la fuente.
Cualquiera de las dos opciones supone que junto al comparador
tendremos un circuito modulador, encargado de modificar la señal del
oscilador. Según el equipo concreto, podremos encontrar fuentes que
trabajan por frecuencia variable, por anchura de pulsos variable, e incluso
que combinan las dos técnicas simultáneamente. Esto supone que el
comparador tendrá asociado un sistema de control, que modificará los
parámetros de la señal que se aplica al conmutador en función de las
variaciones detectadas en la muestra de la tensión de salida.
EXTRACCIÓN DE LA MUESTRA
El transformador de las fuentes de alimentación, además de servir para
cambiar el valor de la tensión de entrada, proporciona un aislamiento
galvánico muy interesante como medida de protección ante descargas
eléctricas. En el caso de fuentes conmutadas; la zona conectada
directamente a la red se abarcará toda la fuente primaria, el conmutador,
el oscilador y el sistema de control, además del primario del
transformador.
En el diseño, resulta fundamental no conectar zonas aisladas de la red
con otras que no lo están, por lo que tendremos circuitos totalmente
independientes a uno y otro lado del transformador. Incluso las masas
serán diferentes, lo que nos obligará a considerar de dónde tomamos la
referencia a la hora de realizar medidas en el circuito. Sin embargo, si
observamos el diagrama de bloques notaremos que hay una línea que
incumple la separación imprescindible entre las dos zonas de la fuente: se
trata de la línea de retorno de la muestra, necesaria para la regulación. En
realidad, vamos a ver cómo esta línea transfiere su información sin
necesidad de tener contacto físico con la zona no aislada del circuito.
Precisamente una de las características que diferencian unas
fuentes conmutadas de otras es la forma de extraer esta muestra,
pudiendo encontrar tres técnicas distintas:
Fig. 15.6. Técnicas de extracción de la muestra de regulación.
• Mediante un secundario específico. La forma más común es diseñar
el transformador de modo que contenga un secundario específico
para la toma de la muestra. De esta forma, se tendrá una referencia
fiel de la energía que circula por el transformador, y al tomar la
señal mediante inducción del campo magnético generado por el
primario, no existirá contacto alguno con el resto de los
secundarios.
• Mediante un transformador separador. Si queremos tomar la
muestra desde el secundario de la fuente, podemos colocar un
pequeño transformador que transfiera la señal hacia el comparador.
Así tendremos garantizada la separación galvánica entre las dos
áreas del circuito.
• Mediante un optoacoplador. Para transferir una señal sin contacto
físico, podemos optar por convertirla en señales luminosas, y
transferirla en este formato hasta un fototransistor, que la
devolverá al plano eléctrico. A diferencia de los otros dos métodos,
la muestra se tomará desde la salida de la fuente, por lo que se
trata de un nivel de tensión continua en lugar de una señal alterna.
En el mercado existen componentes que, en una pequeña cápsula
similar a un circuito integrado, incorporan el diodo emisor de luz y
el fototransistor, por lo que este sistema resultará cómodo, barato y
fiable al mismo tiempo.
CIRCUITOS REALES
Una vez que hemos estudiado los aspectos básicos de las fuentes
conmutadas, podemos afrontar el análisis de un circuito real. En la Figura
15.7 podemos ver el diagrama de una fuente de alimentación conmutada,
de uso muy extendido en los receptores de televisión.
Para simplificar su comprensión se han eliminado algunos
componentes de menor relevancia, representando sólo los más
importantes. Sobre el esquema se han marcado los diferentes bloques,
con los mismos colores utilizados en el diagrama de la Figura 15.4.
Fig. 15.7. Esquema eléctrico de una fuente conmutada.
En el circuito, como ya ocurriera en la fuente lineal que estudiamos
anteriormente, la señal de red entra a través de un filtro de
radiofrecuencia, para evitar señales espurias que pudieran perturbar el
funcionamiento del equipo. A continuación encontramos la fuente de
alimentación primaria, formada por el puente rectificador de entrada
(diodos D1 a D4) y el condensador de filtro C2.
Paralelamente a esta línea de alimentación observamos el conjunto
de componentes D5/R1, que aparecen conectados directamente a la
tensión alterna de entrada. Estos componentes se encargarán de
proporcionar la tensión de alimentación inicial al circuito integrado U1,
que realiza las funciones de oscilador, modulador PWM y comparador,
estando a su cargo el control de los pulsos de conmutación. Este regulador
conmutado, del tipo TDA 4601, utiliza un sistema de control mixto,
variando al mismo tiempo la frecuencia de los pulsos y su anchura para
mantener constante las tensiones de salida de la fuente.
Al conectar el aparato, en diodo D5 rectificará el primer semiciclo
positivo que aparezca en la red, mientras que R1 atenuará su valor.
De esta forma, el circuito integrado U1 empezará a generar pulsos
por su terminal número 8. Estos pulsos atravesarán C3, polarizando la
base del transistor Q1. Al recibir el primer pulso, este transistor pasará a
saturación, quedando su colector unido a la masa viva del circuito. En ese
momento, la diferencia de potencial entre los extremos del primario del
transformador (bobinado 1-2) hará que circule corriente por ella,
creándose campo magnético en el interior del transformador. Esta energía
provocará la aparición de corriente inducida en todos los secundarios del
transformador, distribuyéndose para diferentes aplicaciones.
Justo debajo del primario aparece, entre los contactos 3 y 4, el
secundario que proporcionará la alimentación del sistema de control de
conmutación. Este bobinado creará entre sus terminales una tensión
alterna, que se rectificará en el diodo D7 y se filtrará en el condensador
C4, convirtiéndose así en continua. Esta tensión recuperada del
transformador es superior a la que llega a través del diodo D5, por lo que
una vez que la fuente se pone en funcionamiento se producirá una
autoalimentación del circuito integrado a través de esta línea.
Para estabilizar la tensión de salida, esta fuente utiliza una muestra
tomada a partir del secundario 5-6 del transformador. De forma parecida
a la anterior, la señal captada por esta bobina se rectifica por D8, sólo que
ahora nos quedaremos con los semiciclos negativos, ya que el circuito
comparador trabaja con tensión negativa. El condensador C5 filtrará la
muestra, antes de aplicarla al comprador de control. La resistencia R3
adaptará la tensión de la muestra a los márgenes de funcionamiento del
comparador, y el potenciómetro P1 servirá para regular la tensión de
salida de la fuente.
La zona aislada de la red, a la derecha del transformador, nos
resulta familiar, puesto que el circuito es bastante parecido al utilizado en
las fuentes lineales. Según las necesidades del circuito encontraremos un
número mayor o menor de fuentes de alimentación secundarias. En este
caso todas se nutren de un mismo bobinado, con tomas intermedias para
las diferentes tensiones, y con una misma referencia común, que se
tomará en el terminal 11 del transformador. Es importante notar que la
masa conectada a este punto (que será la masa efectiva de los circuitos
del aparato) tiene un símbolo diferente de la que aparece, por ejemplo, en
el pin 6. Como ya vimos, se trata de puntos diferentes del circuito, para
respetar el aislamiento que proporciona el transformador.
Si en el circuito a alimentar se produce un aumento de consumo, el
secundario correspondiente absorberá más campo magnético del
transformador. Al reducirse el campo magnético que queda disponible
para el resto, en el secundario de muestreo disminuirá la tensión de
salida. Una vez rectificada y filtrada, la muestra de tensión continua
también tendrá menor valor, por lo que el comparador disminuirá la
frecuencia y aumentará la anchura de los pulsos de conmutación. Con esta
operación se mantendrá activo durante más tiempo el transistor Q1,
aplicándole más energía al transformador para suplir el incremento de
demanda.
Fig. 15.8. Señales en la fuente de alimentación conmutada.
Como vemos, la cantidad de energía que se aplica al transformador,
y por lo tanto la tensión que aparecerá en los secundarios, depende de la
tensión del terminal 3 del circuito integrado. Por lo tanto, si colocamos
una resistencia ajustable podremos variar el valor de la muestra de
comparación, y con ella ajustaremos la tensión de salida.
Del terminal 8 del transformador tomaremos la tensión más alta de
la fuente, que servirá para alimentar el amplificador de salida horizontal
del televisor. Un rectificador de media onda y un filtro de tipo L-C servirán
para suministrar una tensión constante.
Como es la línea de mayor consumo, se suele montar un fusible
específico que protegerá la fuente de alimentación ante posibles averías
en la etapa de deflexión.
Con una estructura similar a la anterior, el terminal 9 alimentará los
circuitos que requieran una tensión media, y con estabilizadores
posteriores podremos conseguir otras de menor valor, que alimentarán
por ejemplo al sistema de control de funciones. La fuente secundaria más
compleja parte del terminal 10 del transformador. Aquí aparece un
sistema regulado por el estabilizador U2, que tiene conectado un circuito
de activación a través del transistor Q2. Como hemos estudiado
anteriormente, desde esta línea se alimentarán los circuitos de señal del
equipo, cuando se reciba la orden oportuna desde el microprocesador de
control.
Fig.15.9. Detalle de los elementos principales en una fuente de
alimentación conmutada.
CONVERTIDORES DC/DC
Principio de funcionamiento
En realidad, un convertidor DC/DC es una fuente de alimentación
conmutada, a la cual se le ha suprimido la fuente de alimentación
primaria. Realmente no la necesita, puesto que su función la realiza la
propia batería. A partir de esta tensión se alimenta un oscilador, que será
modulado para obtener los impulsos de conmutación.
Esta modulación estará controlada por la comparación de una
muestra de la salida respecto a una tensión de referencia interna. En este
caso, al partir de una tensión de bajo valor, el transformador se encargará
de elevar el nivel de la tensión de entrada hasta la que se necesite en los
circuitos a los que alimentará. Como no está conectado a la red, este
circuito no requiere las precauciones de la fuente de alimentación
conmutada relativas al aislamiento, y por lo tanto se podrá aplicar la
muestra de salida directamente al comparador, teniendo todas las
tensiones la misma masa de referencia.
Fig.15. 10. Principio de funcionamiento de un convertidor DC/DC.
Cuando la tensión necesaria en la salida del convertidor es más
pequeña que la entrada, y deseamos utilizar un regulador conmutado, el
circuito se simplifica todavía más. Como se aprecia en la Figura 15.11, se
han eliminado el transformador y el rectificador, quedando una versión
mínima de fuente conmutada. También el filtro se ha modificado,
convirtiéndose ahora en un circuito integrador de los pulsos de
conmutación.
Al no utilizar transformador, la señal de conmutación no cambia de
sentido, manteniéndose en todo momento como una señal continua de
carácter pulsante. Por lo tanto, no es necesario utilizar la fuente
secundaria. En su lugar es suficiente con que extraigamos la tensión eficaz
que transportan los pulsos, cuya anchura variará según deba aumentar o
disminuir la potencia suministrada en la salida. Ésta es la función del
circuito integrador, que hemos utilizado siempre que necesitábamos pasar
una señal modulada en anchura a un nivel de tensión continua.
Las cámaras de vídeo son los equipos de imagen que montan con
más frecuencia convertidores DC/DC. Habitualmente, se utilizan
combinaciones de las dos estructuras comentadas, pudiendo encontrar un
convertidor con transformador de secundario múltiple para obtener las
tensiones más grandes asociado a varios reguladores conmutados para
estabilizar la alimentación de valor más bajo de los circuitos integrados.
La Figura 15.12 representa un convertidor DC/DC compuesto por
dos circuitos de regulación independientes. El circuito se basa en el
empleo de un regulador conmutado doble (IC1), que contiene en su
interior un generador de tensión de referencia, el oscilador, dos
comparadores de tensión y dos moduladores de anchura de pulsos. Como
componentes asociados a este integrado aparecen R5 y C4, que definen la
frecuencia de trabajo del oscilador interno.
La tensión de la batería se filtra a través de la red L1 C5, y se protege
con un fusible. Así se consigue la tensión de alimentación no regulada que
servirá para alimentar el circuito integrado IC1, así como los transistores
conmutadores Q1 y Q2. Al recibir esta alimentación, el integrado aplicará
pulsos a la base de Q1. Por lo tanto, la tensión de la batería se convertirá
en señal pulsante en el colector de este transistor. D1 actúa como
elemento de protección, evitando que la fuerza contraelectromotriz de la
bobina L2 pueda dañar con picos negativos al transistor.
Precisamente esta bobina L2, junto al condensador C1, forman la
red integradora de estos pulsos, creando de nuevo tensión continua en
esta salida de la fuente. Para regular la tensión, tomamos una muestra a
través del atenuador resistivo R2-P1. Esta resistencia ajustable regulará la
tensión de la muestra, y por lo tanto la tensión de salida (5V) Esta muestra
se lleva hasta el comparador, que recibe la tensión de referencia interna
para, a partir de la diferencia de niveles, variar la anchura de los pulsos.
Fig. 15.11. Diagrama de bloques de un regulador de tensión conmutado.
En la parte inferior del esquema aparece el segundo circuito
regulador, que proporcionará dos tensiones más al aparato. En este caso,
el circuito integrado aplicará pulsos al conmutador Q2, que alimentará al
transformador. Como salida tenemos un secundario doble, que en ambos
devanados aumenta el valor de la tensión de entrada. En d terminal 11 se
conecta una fuente secundaria, de la que obtendremos 15 V de corriente
continua tras la rectificación y el filtrado. Ésta será la salida que se utilizará
para establecer el lazo de realimentación, a través del divisor R3-P2-R4. En
el otro extremo del secundario conectaremos otro rectificador y su filtro
correspondiente, configurados para extraer una tensión negativa de 8 V.
Fig. 15.12. Esquema eléctrico de un convertidor DC/DC.
Averías en las fuentes de alimentación
La fuente de alimentación es un circuito que suele tener un elevado
índice de averías, debido a los altos niveles de potencia que maneja. A
continuación comentaremos las averías más comunes para estos circuitos.
El equipo no arranca, el fusible de red está fundido. Ante este
síntoma, siempre deberemos pensar que el fusible es la consecuencia
última de la avería, y nunca su causa. Para localizar el fallo, tendremos que
buscar componentes cuya avería suponga un incremento brusco en la
corriente que se absorbe de la red, extrayendo componentes de la placa y
midiéndolos individualmente. Si la fuente tiene otros fusibles,
comprobaremos si están en buen estado, lo que nos servirá para acotar la
zona averiada. Después comprobaremos el estado de los semiconductores
de la zona, empezando por aquellos que soportan potencias mayores.
En las fuentes conmutadas, este problema suele estar acotado en la
zona no aislada de la red, por lo que en primer lugar comprobaremos el
transistor conmutador, que suele cortocircuitarse. Aunque el circuito
integrado regulador tiene protecciones contra sobrecorrientes y
sobretensiones, lamentablemente no son todo lo eficaces que
desearíamos, y este componente también se avería con facilidad. Para
colmo de males, si por avería de este elemento su salida de pulsos se
queda en estado alto, provocará la saturación del transistor conmutador
durante un tiempo excesivo, y al crecer demasiado la corriente de colector
lo destruirá. Esta avería en cadena acabará probablemente averiando uno
o dos de los diodos rectificadores de entrada, antes de que el fusible de
red, que es de fusión retardada, abra definitivamente el circuito.
La fuente tiene hipo. Este curioso síntoma es muy frecuente en
fuentes conmutadas. Cuando el comparador detecta un consumo
excesivo, su sistema de protección detiene la salida de impulsos, para
evitar que se dañe el conmutador. Pasados unos instantes, la fuente
intenta arrancar de nuevo, para comprobar si el problema ha pasado y se
puede reiniciar el funcionamiento normal. Si la avería persiste, la fuente se
detiene otra vez, repitiéndose este ciclo. Esto provoca la aparición del
ruido de arranque de la fuente en intentos sucesivos, sin éxito, con un
sonido muy particular que llamamos hipo.
Según el tipo de integrado, el hipo puede ser permanente o
desaparecer tras varios intentos de arranque, al entender el circuito que
existe una avería real. En este caso, lo más habitual es que la fuente
funcione correctamente, y sea uno de los circuitos a los que alimenta el
causante del problema. Para comprobar si La fuente funciona
correctamente, es aconsejable aislarla del resto del circuito,
desconectando todas las líneas de salida de alimentación. En su lugar,
conectaremos en la línea de mayor tensión una carga para simular el
consumo del aparato.
Fig. 15.13. Síntomas de avería en 1a fuente de alimentación.
Ondulaciones sobre la pantalla. Este síntoma se manifiesta en los
monitores de televisión como una ondulación de los bordes verticales de
la imagen, que puede ir acompañada de líneas horizontales en las zonas
internas de esas ondas, como se aprecia en la Figura 15.13. La causa es un
filtrado deficiente en la fuente de alimentación, que provoca un rizado
excesivo y, por lo tanto, que la tensión de alimentación sufra variaciones
demasiado grandes. Ante este problema deberemos comprobar el rizado
de las salidas de alimentación de la fuente, para detectar en cuál de ellas
está la avería.
Una vez acotada, mediremos los condensadores electrolíticos de
filtrado, buscando pérdidas de capacidad características en estos
componentes. Si se trata de una fuente lineal, sobre la pantalla
aparecerán dos o tres ondulaciones de gran tamaño que se desplazan
lentamente, con deformaciones en la linealidad vertical. Sin embargo, si el
problema se plantea en una fuente conmutada el síntoma se parece más a
una cortina formada por decenas de pequeñas ondulaciones y líneas
horizontales.
Una práctica habitual consiste en utilizar como carga una bombilla
de 125 V y 60 W de potencia, que son los valores aproximados de la
tensión de salida más alta de la mayoría de los receptores de televisión. Si
la fuente arranca en estas condiciones (y la bombilla se enciende) iremos
conectando una a una las diferentes líneas de alimentación, hasta detectar
en cuál de ellas existe un consumo excesivo.
